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Mechanische Verbundeigenschaften zusammengesetzter Querschnitte aus trockenbauüblichen, dünnwandigen Stahlprofilen und mineralisch basierten Plattenwerkstoffen unter statischen und seismischen Beanspruchungen

Herfurth, Dominik (2024)
Mechanische Verbundeigenschaften zusammengesetzter Querschnitte aus trockenbauüblichen, dünnwandigen Stahlprofilen und mineralisch basierten Plattenwerkstoffen unter statischen und seismischen Beanspruchungen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027522
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Mechanische Verbundeigenschaften zusammengesetzter Querschnitte aus trockenbauüblichen, dünnwandigen Stahlprofilen und mineralisch basierten Plattenwerkstoffen unter statischen und seismischen Beanspruchungen
Language: German
Referees: Tichelmann, Prof. Dr. Karsten ; Lange, Prof. Dr. Jörg
Date: 21 June 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XVIII, 135 Seiten
Date of oral examination: 21 May 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027522
Abstract:

Im Rahmen der Untersuchungen wurde die nichttragende leichte Ständerbauweise aus trockenbauüblichen, dünnwandigen Stahlprofilen und mineralisch basierten Plattenwerkstoffen betrachtet. Aufgrund des signifikant großen Bauvolumens bei den nichttragenden Ausbauweisen kommt ihr eine besondere Bedeutung zu. Der Fokus der Untersuchungen lag auf den statischen und seismischen Eigenschaften. Konkret wurden grundlegende mechanische Wirkprinzipien betrachtet. Das mechanische Verhalten nichtmonolithischer Bauteile aus zusammengesetzten Querschnitten hängt im Wesentlichen einerseits von den Materialeigenschaften der verwendeten Komponenten und andererseits von deren Zusammenwirken im Verbund ab. Bei Verwendung sehr dünner Stahlprofile kommt dem Aktivieren der Beplankung im Verbundquerschnitt eine zentrale Bedeutung zu. Zur Erfüllung von Gebrauchstauglichkeitskriterien unter statischen Beanspruchungen ist die sich einstellende effektive Steifigkeit des nachgiebigen Verbunds entscheidend. Die Bestimmung der effektiven Steifigkeit setzt Kenntnis über den Verschiebungsmodul der Verbindung voraus. Ähnliches gilt auch für das seismische Verhalten von Bauteilen, deren Duktilität und Energiedissipation ebenfalls vom Verhalten der Verbindung zwischen Platte und Profil beeinflusst wird. Dabei zu berücksichtigen sind Effekte, die sich aus veränderlichen Parametern ergeben. Das Ziel der Arbeit bestand in der Ermittlung und Bewertung des mechanischen Verhaltens unter variierender Feuchtebeanspruchung. Hierfür wurden kleinformatige Prüfkörper gewählt, die durch ihren spezifischen Aufbau die einzelne Schraubverbindung abbilden. Dies ermöglicht explizite Aussagen über die statistische Streuung des mechanischen Verhaltens der Einzelverbindung, wodurch eine differenzierte Betrachtung der Ergebnisse in Hinblick auf die Abhängigkeit von Feuchtebeanspruchungen ermöglicht wird. Um die Anwendbarkeit der ermittelten Kennwerte als Eingangsparameter für künftige Bauteilbemessungen zu überprüfen, wurden abschließend statische Berechnungen an einem exemplarischen Verbundquerschnitt vorgenommen und über Bauteilprüfung verifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass das Verfahren zusammengesetzter Querschnitte mit nachgiebigem mechanischem Verbund auch für sehr dünne Stahlprofile mit Gipsplatten Beplankung und Schraubverbindungen anwendbar ist, die Verwendung klimaabhängiger Verschiebungsmoduln zu sehr guten Übereinstimmungen führt und eine realitätsnahe, rechnerische Bestimmung des Last-Verformungsverhaltens leichter Ständerwände von der Anfangssteifigkeit bis in den quasi-elastischen Bereich möglich ist. Eine weitere, für die Verbindung seismisch relevante Eigenschaft ist die Energiedissipation unter zyklischer Beanspruchung. Sie ist ein Maß für die Umwandlung von Bewegungsenergie in plastische Verformung und in Reibungswärme. In der Gegenüberstellung der gewählten Klimastufen ist die verteilte Energie je Halbzyklus nahezu identisch. Obwohl sich die umschriebenen Flächen der Hystereseabschnitte hinsichtlich ihrer Form unterscheiden, sind sie vom Flächeninhalt annähernd gleich. Zudem zeigte sich bei Gegenüberstellung der Halbzyklen eine prozentuale Festigkeitsminderung auf vergleichbarem Niveau.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

As main part of the investigations, the non-loadbearing, lightweight stud construction method using standard drywall steel profiles and mineral-based boards was examined. This is of particular importance due to its significantly large construction volume within the range of non-loadbearing construction methods. The investigations focused on the static and seismic properties. Specifically, fundamental mechanical operating principles were considered. The mechanical behavior of non-monolithic components made of composite cross-sections essentially depends on the one hand, on the material properties of the components used and, on the other hand, on their interaction in the composite. When using very thin steel profiles, the activation of the cladding in the composite cross-section is of crucial significance. To fulfill serviceability criteria under static loads, the effective stiffness of the yielding composite is decisive. The determination of the effective stiffness requires knowledge of the modulus of displacement of the connection. The same applies to the seismic behavior of components, whose ductility and energy dissipation are also influenced by the behavior of the connection between the board and the profile. Effects resulting from changing parameters must be considered. The aim was to determine and evaluate the mechanical behavior under varying moisture levels. Small-scaled test specimens were selected for this purpose, which represent the individual screw fixation due to their specific structure. This allows explicit statements to be made about the statistical variance of the mechanical behavior of the individual connection, which enables a differentiated view of the results with regard to the dependence on moisture levels. Ultimately, to verify the applicability of the determined characteristic values as input parameters for future component design, static analysis were carried out on an exemplary composite cross-section and verified by means of building component testing. It was shown that the method of composite cross-sections with yielding mechanical bond can also be used for very thin steel profiles with plasterboard cladding and screw connections, that the use of climate-dependent displacement moduli leads to very good consistency and that a realistic, mathematical determination of the load-deformation behavior of lightweight stud partitions from the initial stiffness to the quasi-elastic range is possible. Another seismically relevant property for the connection is energy dissipation under cyclic load. It is a measure of the transformation of kinetic energy into plastic deformation and frictional heat. When comparing the selected climate levels, the distributed energy per half cycle is almost identical. Although the circumscribed areas of the hysteresis sections differ in terms of their shape, they are almost identical in terms of their surface area. In addition, a comparison of the half-cycles showed a percentage reduction in strength at a comparable level.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-275227
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 15 Department of Architecture > Fachgruppe F: Gebäudetechnik > Tragwerksentwicklung
15 Department of Architecture > Fachgruppe F: Gebäudetechnik
Date Deposited: 21 Jun 2024 12:04
Last Modified: 01 Jul 2024 13:32
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/27522
PPN: 519326962
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